Nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kháng cắt cho dầm bê tông cốt thép bằng tấm sợi thủy tinh

Bài báo trình bày về một nghiên cứu thực nghiệm gia cường chịu cắt cho các dầm bê tông cốt thép. Bốn dầm giống nhau được chế tạo, trong đó, ba dầm được gia cường bằng tấm sợi thủy tinh với các hình thức gia cường khác nhau. Kết quả thí nghiệm cho thấy, tấm sợi thủy tinh làm gia tăng đáng kể khả năng chịu cắt và làm tăng độ cứng, độ dẻo của dầm.

KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ GIA CƯỜNG KHÁNG CẮT CHO DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM SỢI THỦY TINH TS NGUYỄN HÙNG PHONG Đại học Xây dựng Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm gia cường chịu cắt cho dầm bê tông cốt thép Bốn dầm giống chế tạo, đó, ba dầm gia cường sợi thủy tinh với hình thức gia cường khác Kết thí nghiệm cho thấy, sợi thủy tinh làm gia tăng đáng kể khả chịu cắt làm tăng độ cứng, độ dẻo dầm Các yếu tố cấu tạo độ dính kết bê tơng Hình Gia cố kháng cắt cho dầm BTCT FRP gia cường, đoạn neo tấm, bán kính cong đột ngột nguy hiểm, đó, việc gia cường, gia Trong số loại FRP thông dụng, sợi thủy tinh (glass fiber reinforced polymer – viết tắt GFRP) sử dụng phổ biến có giá thành tương đối thấp Trong nghiên cứu thực nghiệm này, tác giả tiến hành thí nghiệm gia tải cho bốn dầm BTCT gia cường GFRP theo hình thức khác Qua kết thí nghiệm, tác giả tiến hành phân tích, đánh giá hiệu gia cường GFRP, hình thức nứt phá hoại dầm chi tiết cấu tạo gia cường, từ đưa khuyến cáo cho việc thiết kế, thi công gia cường kháng cắt cho kết cấu BTCT sợi thủy tinh cố chịu cắt cho cơng trình cần đảm bảo độ an tồn Mẫu thí nghiệm góc gia cường, chất lượng lớp bê tông bảo vệ ảnh hưởng lớn đến hiệu gia cường Tổng quan phương pháp gia cường Tình trạng cơng trình bê tơng cốt thép (BTCT) bị xuống cấp theo thời gian, chất lượng thi cơng cơng trình khơng đảm bảo việc gia tăng tải trọng sử dụng lên cơng trình đòi hỏi cơng trình cần gia cố/gia cường để tránh hư hỏng, sụp đổ Trong hình thức phá hoại kết cấu BTCT, phá hoại cắt diễn cao Trong phương pháp sử dụng, giải pháp gia cố chịu cắt cho dầm BTCT sợi liên tục cường độ cao FRP (fiber reinforced polymer) giải pháp tương đối đơn giản, cho phép thi công nhanh gây ảnh hưởng tới kiến trúc cơng trình Ngồi việc gia cố kháng cắt, giải pháp dán FRP giúp bảo vệ kết cấu BTCT khỏi tác dụng xâm thực mơi trường đóng vai trò neo cho gia cố kháng uốn cách dán FRP đáy dầm Có nhiều hình thức gia cường kháng cắt dầm BTCT FRP gia cường dạng liên tục suốt chiều dài dầm gia cường theo băng, gia cường theo phương thẳng đứng hay phương xiên, gia cường dán ba mặt dầm hai mặt bên dầm Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2014 2.1 Chi tiết mẫu thí nghiệm Bốn mẫu dầm chế tạo hoàn toàn giống trước gia cường GFRP (hình 2) Các dầm bố trí cốt thép dọc với hàm lượng lớn cho khả chịu uốn dầm lớn khả chịu cắt nhịp phải (xem bảng 3) để thí nghiệm dầm khơng bị phá hoại uốn Nhịp cắt bên trái dầm (a = 550mm) bố trí cốt đai thép tương đối lớn ( khoảng cách 50 mm) để phá hoại cắt không xảy nhịp mà xảy nhịp bên phải nhịp mà dầm gia cường GFRP theo hình thức khác (hình 3) Các (băng) GFRP gia cường dán hai mặt bên dầm keo epoxy neo vào mặt mặt dầm đoạn 50mm 23 KẾT CẤU – CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG Hình Chi tiết mẫu dầm trước gia cường GFRP a Dầm D1: không gia cường b Dầm D2: gia cường GFRP: - Bề rộng wf = 30mm - Khoảng cách sf = 100mm - Góc nghiêng α = 90 c Dầm D3: gia cường GFRP: - Bề rộng wf = 30mm - Khoảng cách sf = 100mm - Góc nghiêng α = 60 d Dầm D4: gia cường GFRP: - Bề rộng wf = 50mm - Khoảng cách sf = 100mm - Góc nghiêng α = 90 Hình Chi tiết gia cường mẫu dầm GFRP theo hình thức khác Cường độ vật liệu thép bê tông xác định thí nghiệm thời điểm băng GFRP gia cường f định nghĩa theo công thức (1) ngày với thí nghiệm gia tải mẫu dầm tóm tắt bảng Các đặc trưng học GFRP nhà phân phối cung cấp, tóm tắt bảng Các thơng số kết cấu dầm tính tốn theo tiêu chuẩn ACI [4] tóm tắt bảng với hàm lượng 24 pf  2t f w fh bs f (1) đó: tf - chiều dày băng GFRP; wfh - bề rộng băng GFRP theo phương nằm ngang; sf khoảng cách băng GFRP tính từ tim; b - bề rộng dầm Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ CƠNG NGHỆ Bảng Cường độ thí nghiệm vật liệu thép bê tông mẫu dầm Giới hạn chảy thép dọc 14 fy 351 MPa Giới hạn chảy thép đai 8 fyt 362 MPa Cường độ chịu nén bê tông (mẫu trụ 150x300mm) fc’ 20,07 MPa Bảng Các đặc trưng học sợi thủy tinh GFRP Các đặc trưng học (giá trị thí nghiệm) Cường độ chịu kéo cực hạn theo phương sợi ff Tấm sợi thủy tinh 575 MPa Độ dãn dài cực hạn f 2,2 % Mô-đun kéo Ef 26,1 GPa Chiều dày tf 0,635 mm Bảng Các thông số kết cấu mẫu dầm tính theo lý thuyết tiêu chuẩn ACI [4] Tên dầm D1 D2 D3 D4 Đặc điểm gia cường nhịp phải Không gia cường Băng thẳng 30mm Băng xiên 30mm Băng thẳng 50mm Hàm lượng băng GFRP f (%) 0,254 0,293 0,423 Khả chịu cắt nhịp trái (Vc + Vs) (kN) Khả chịu uốn (P/2 = M/a) (kN) 203,8 103,7 Khả chịu cắt nhịp phải (Vc + Vf) (kN) 66,8 (Vc) 75,9 79,2 81,9 (P: tổng tải trọng kích thủy lực tác dụng lên dầm chia làm hai lực tập trung hai bên, lực = P/2) 2.2 Quy trình gia cường mẫu Trước tiên mẫu dầm đánh máy mài cầm tay giấy ráp để loại bỏ lớp vữa xi măng bên ngồi mẫu, tăng độ dính bám GFRP bê tơng (BT) Các góc dầm mài tròn với bán kính cong 10mm để đảm bảo kết dính tốt tránh tập trung ứng suất q trình chịu lực Sau đó, dùng chổi lăn sơn lăn epoxy lên bề mặt mẫu cho kín toàn bề mặt, epoxy thấm vào BT Tiếp theo, dùng chổi lăn epoxy lên bề mặt GFRP cắt theo kích thước cần thiết Lăn hai mặt cho epoxy thấm đẫm vào sợi vải thủy tinh Trong lăn cần ý lăn chổi theo a Mài bề mặt góc dầm phương dọc với phương sợi, khơng lăn theo phương vng góc với phương sợi làm hư hỏng cấu trúc vải Cuối cùng, dán GFRP tẩm epoxy lên bề mặt mẫu Khi dán lưu ý dùng tay vuốt nhẹ lên bề mặt để phẳng, khơng có bọt khí bên trong, đảm bảo tiếp xúc tốt bề mặt BT GFRP Có thể nhận thấy quy trình gia cường tương đối đơn giản nhanh chóng Quá trình gia cường ba dầm thí nghiệm kéo dài khoảng tiếng Thí nghiệm gia tải dầm tiến hành sau thời gian gia cường mẫu 72 tiếng để đảm bảo epoxy khô cứng, đạt cường độ lực dính tối đa b Lăn epoxy lên bề mặt BT c Tẩm epoxy vào hai mặt d Dán lên bề mặt dầm Hình Quy trình gia cường mẫu Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2014 25 KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Thí nghiệm mẫu Sơ đồ thí nghiệm dầm đơn giản kê lên gối cố định gối di động Thiết bị gia tải kích thủy lực loại 20 tấn, kết hợp với hệ khung phản lực dầm phân tải tạo nên hai tải trọng tập trung với khoảng cách 500 mm Tải trọng thí nghiệm đo đầu đo tải trọng (load cell) ký hiệu P Các giá trị chuyển vị (độ võng) dầm đo vị trí nhịp hai gối tựa đầu đo chuyển vị ký hiệu I1, I2, I3 (hình 5) cấp thang lực Cần quan sát kỹ BT vùng kéo để phát vết nứt thẳng góc vết nứt xiên Tại cấp gia tải, dừng tải để quan sát, chụp ảnh, theo dõi số đọc thiết bị đo tiến hành vẽ phát triển vết nứt dầm Tăng tải trọng theo cấp dầm phá hoại – quan sát kỹ để xác định nguyên nhân hình thức phá hoại dầm Kết thí nghiệm nhận xét 4.1 Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng Hình thể đường cong quan hệ tải trọng – độ võng dầm q trình thí nghiệm Giá trị tải trọng thể khả chịu cắt dầm Các dầm gia cường (D2, D3, D4) có khả chịu cắt tăng đáng kể so với dầm D1 Khả chịu cắt dầm tóm tắt bảng Ta thấy hai dầm D3 D4 có hàm lượng GFRP lớn so với dầm D2 khả chịu cắt hai dầm lại nhỏ so với dầm D2 chúng bị phá hoại sớm chi tiết cấu tạo trình gia tải Nguyên nhân phá hoại thảo luận kỹ phần sau So sánh khả chịu cắt dầm theo thực Hình Sơ đồ thí nghiệm mẫu nghiệm (bảng 4) theo lý thuyết (bảng 3) ta thấy kết thực nghiệm gần so với tính tốn lý thuyết – Sau lắp đặt cân chỉnh thiết bị đo, mẫu dầm thí nghiệm theo quy trình sau dầm D2 có khả chịu cắt thực tế lớn lý thuyết, dầm D3 D4 bị phá hoại sớm Dựa vào lực phá hoại dự đoán dầm chọn thang lực thí nghiệm phù hợp Tiến hành gia tải theo nên có khả chịu cắt thực tế nhỏ so với lý thuyết Hình Quan hệ tải trọng – độ võng dầm 26 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ Bảng Khả chịu cắt dầm theo kết thực nghiệm Tên dầm D1 D2 D3 D4 Đặc điểm gia cường GFRP Không gia cường Băng thẳng 30mm Băng xiên 30mm Băng thẳng 50mm Hàm lượng GFRP f (%) 0,254 0,293 0,423 Khả chịu cắt dầm (Vu = P/2) (kN) 53,53 80,29 77,08 77,33 Khả chịu cắt GFRP (Vf = Vu - V1) (kN) 26,76 23,55 23,80 Các dầm D1 đến D4 xuất vết nứt thẳng góc tải trọng xấp xỉ nhau, khoảng 15kN Sau đó, thấy với giá trị tải trọng dầm D1 có độ võng lớn so với ba dầm Điều trở nên rõ rệt sau dầm xuất vết nứt xiên tải trọng khoảng 30-35kN Như vậy, việc gia cường GFRP làm tăng độ cứng (chính độ dốc biểu đồ tải trọng – độ võng) so với dầm không gia cường Nguyên nhân GFRP dán mặt bên dầm cản trở phát triển vết nứt nghiêng làm cho độ cứng dầm gia cường không bị suy giảm nhiều sau vết nứt nghiêng xuất Ngoài ra, biểu đồ tải trọng – độ võng thấy dầm gia cường GFRP có Hình Sự phá hoại dầm D1 Đối với dầm gia cường GFRP, vết nứt nghiêng xuất muộn (P/2  35kN) Tuy nhiên, sau độ cứng dầm khơng bị suy giảm, thể qua độ dốc biểu đồ tải trọng – độ võng gần không thay đổi (hình 6) Vết nứt nghiêng phát triển gặp phải cản trở băng GFRP nên không mở rộng nhanh số vết nứt nghiêng lân cận hình thành Các vết nứt nghiêng giúp truyền tải trọng cho băng GFRP tham gia chịu lực (hình 8) khả chịu biến dạng tốt nhiều so với dầm D1 Dầm bị phá hoại đột ngột độ võng khoảng 5,8mm ba dầm sau đạt tải trọng cực đại khơng bị phá hoại đột ngột mà tiếp tục có khả chịu tải gần giá trị cực đại độ võng lên đến khoảng 20mm Điều cho thấy dầm gia cường GFRP có độ dẻo cao hẳn so với dầm D1, tức làm việc an tồn hơn, Hình Sự phát triển vết nứt nghiêng dầm D3 (các vết nứt tô đen) khó bị sụp đổ tác dụng tải trọng động Khi tải trọng tiếp tục tăng ứng suất đất 4.2 Sự phát triển vết nứt hình thức phá hoại Sự phát triển vết nứt dầm D1 dầm gia cường tương đối khác Ở dầm D1, đầu tiên, tải trọng (P/2) đạt 15kN dầm xuất vết nứt thẳng góc Sau đó, tiếp tục tăng tải trọng tới 30kN, dầm bắt đầu xuất vết nứt nghiêng – độ cứng dầm giảm mạnh (hình 6) Vết nứt nghiêng liên tục phát triển tải trọng tăng dần dẫn tới dầm bị phá hoại cắt (tension shear failure) theo tiết diện nghiêng Góc vết nứt nghiêng so với trục dầm khoảng 40º (hình 7) Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2014 băng GFRP vị trí vết nứt nghiêng tăng nhanh Do sợi thủy tinh có mơ-đun đàn hồi thấp nên biến dạng băng lớn, lại làm cho vết nứt nghiêng phát triển rộng Ứng suất băng GFRP truyền từ vị trí vết nứt đến vị trí neo thơng qua ứng suất dính băng GFRP bề mặt BT có nhờ keo epoxy Do đó, ứng suất băng tăng nhanh dẫn đến tượng bong (mất dính kết) băng bề mặt BT Hiện tượng bong xảy xung quanh vết nứt nghiêng Chính nhờ tượng bong mà băng GFRP không bị tập trung ứng suất lớn vị trí vết nứt mà ứng suất phân chiều dài đoạn bong, làm 27 KẾT CẤU – CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG cho băng khơng bị đứt vị trí vết nứt nghiêng Khi tiếp tục tăng tải, chiều dài đoạn bong tăng dần lan rộng vị trí đầu neo băng mặt mặt dầm Vì bề rộng vết nứt nghiêng lớn phía chiều cao dầm nên băng GFRP thường bị bong đầu neo phía đáy dầm Khi dải neo bị bong băng GFRP hoàn toàn tác dụng dẫn đến dầm bị phá hoại Ta thấy, sợi thủy tinh có cường độ cao epoxy nhiều nên phá hoại dầm gia cường băng GFRP phụ thuộc vào tượng bong GFRP bề mặt BT Do đó, hàm lượng (băng) GFRP tương đối lớn khả chịu cắt dầm không phụ thuộc nhiều vào hàm lượng mà phụ thuộc vào thời điểm băng bị bong tuột đầu neo Vì vậy, thực tế khả chịu cắt dầm D3 D4 không lớn dầm D2 gia cường nhiều GFRP Quan sát thí nghiệm cho thấy dầm D2 bị phá hoại BT vùng nén đầu vết nứt nghiêng bị ép vỡ (compression shear failure), sau dầm tiếp tục trì khả chịu tải khoảng 90% giá trị cực đại bị phá hoại hoàn toàn đầu neo GFRP bị bong khỏi bề mặt BT đáy dầm (hình 9) Phá hoại BT vùng nén Tuột neo băng GFRP Hình Sự phá hoại dầm D2 Ở dầm D3, bị phá hoại, đoạn băng GFRP theo phương xiên góc dầm bị đứt sớm Tại vị trí dọc theo góc sớm Vì vậy, khả chịu tải dầm D3 nhỏ dầm D2 (bảng 4) Qua góc này, bán kính cong khơng đủ lớn dẫn đến GFRP bị tập trung ứng suất; thêm vào đó, đó, ta thấy việc đảm bảo chi tiết cấu tạo gia cường mài tròn góc dầm đoạn góc lại nằm theo phương xiên (khơng phải phương vng góc) với phương sợi nên GFRP có cường độ chịu kéo thấp bị đứt có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu gia cường kháng cắt, với trường hợp gia cường băng theo phương xiên Đứt GFRP góc dầm Hình 10 Sự phá hoại dầm D3 Dầm D4 gia cường với băng GFRP bề rộng 50 mm Do băng rộng nên bề mặt tiếp xúc với BT lớn đầu neo băng không bị bong Tuy nhiên, vết nứt mở rộng, lực dính băng GFRP BT lớn tạo thành lực kéo tung lớp BT bảo vệ cốt thép dọc, làm hiệu gia cường băng dẫn 28 đến phá hoại dầm (hình 11) Như vậy, chất lượng lớp BT bảo vệ cốt thép dọc lực dính BT cốt thép dọc ảnh hưởng tới hiệu gia cường Trong trường hợp này, thấy việc gia cường với hàm lượng GFRP lớn không hiệu gây lãng phí vật liệu FRP Tạp chí KHCN Xây dựng - số 3/2014 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ Mảng BT bảo vệ cốt thép dọc bị kéo bung Hình 11 Sự phá hoại dầm D4 Ở trạng thái phá hoại, dầm gia cường GFRP có bề rộng vết nứt nghiêng lớn mô-đun đàn hồi GFRP nhỏ Do đó, cơng tác thiết kế gia cường chịu cắt cho dầm BTCT GFRP cần hạn chế ứng suất (biến dạng) để tránh bề rộng vết nứt nghiêng lớn, không đảm bảo điều kiện sử dụng bề rộng khe nứt làm hiệu ứng chèn cốt liệu BT Ngoài ra, sợi thủy tinh dễ bị phá hoại đột ngột tác dụng tải trọng dài hạn (creep rupture) nên gia cường cần hạn chế ứng suất dài hạn sợi thủy tinh nằm giới hạn cho phép Kết luận kiến nghị Nghiên cứu thực nghiệm gia cường dầm BTCT GFRP cho thấy phương pháp gia cường đơn giản, thực nhanh chóng với chi phí tương đối thấp khơng làm tăng kích thước cấu kiện Kết thí nghiệm cho thấy phương pháp gia cường làm tăng đáng kể khả chịu cắt dầm BTCT, đồng thời làm tăng độ cứng độ dẻo dầm Khả chịu cắt dầm gia cường phụ thuộc vào hàm lượng hình thức bố trí GFRP, mà phụ thuộc nhiều vào dính kết GFRP bề mặt BT, hay nói cách khác phụ thuộc vào tượng bong GFRP trình chịu tải Ngồi ra, hiệu gia cường hình thức phá hoại dầm bị ảnh hưởng lớn chi tiết cấu tạo trình gia cường đoạn neo GFRP, bán kính mài cong góc gia cường hay cường độ độ dính bám lớp BT bảo vệ cốt thép dọc Do đó, q trình gia cường cần Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2014 tuân thủ nghiêm ngặt điều kiện cấu tạo để tránh xảy trường hợp phá hoại sớm Do GFRP có mơ-đun đàn hồi kéo thấp nên bề rộng vết nứt nghiêng tương đối lớn, ảnh hưởng đến yêu cầu sử dụng khả chịu cắt BT Vì vậy, trình thiết kế gia cường chịu cắt cho dầm BTCT cần hạn chế ứng suất GFRP nằm giới hạn cho phép để tránh bề rộng vết nứt nghiêng lớn tránh tượng phá hoại đột ngột từ biến (creep rupture) GFRP Hướng phát triển nghiên cứu gia cường GFRP cho cấu kiện BT cường độ cao sâu vào tìm hiểu ảnh hưởng keo epoxy dính kết BT GFRP đến hiệu gia cường cho kết cấu TÀI LIỆU THAM KHẢO NGUYỄN TIẾN DŨNG, Gia cường chịu cắt dầm bê tông cốt thép sợi cường độ cao FRP, Luận văn thạc sỹ, Đại học Xây dựng (2014) NGUYỄN HÙNG PHONG, Nghiên cứu thực nghiệm gia cường cột bê tông sợi liên tục cường độ cao, Tạp chí Xây dựng, 6-2014, trang 89-93 (2014) .3 ACI 440.1R-06, Guide for the design and construction of structural concrete reinforced with FRP bars, American Concrete Institute (2006) ACI 440.2R-08, Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, American Concrete Institute (2008) Ngày nhận sửa: 5/9/2014 29 ... Gia cường chịu cắt dầm bê tông cốt thép sợi cường độ cao FRP, Luận văn thạc sỹ, Đại học Xây dựng (2014) NGUYỄN HÙNG PHONG, Nghiên cứu thực nghiệm gia cường cột bê tông sợi liên tục cường độ cao,... hạn chế ứng suất dài hạn sợi thủy tinh nằm giới hạn cho phép Kết luận kiến nghị Nghiên cứu thực nghiệm gia cường dầm BTCT GFRP cho thấy phương pháp gia cường đơn giản, thực nhanh chóng với chi... Hình Chi tiết mẫu dầm trước gia cường GFRP a Dầm D1: không gia cường b Dầm D2: gia cường GFRP: - Bề rộng wf = 30mm - Khoảng cách sf = 100mm - Góc nghiêng α = 90 c Dầm D3: gia cường GFRP: - Bề